参考文献 X-射线新射分析，杨子兴等，上海交大出版社1994,072419， 现代分析技术 材料工艺中的现代物理技术，T.马维等，科学出版社，1984， 8530, 3.物相衔射分析，杨传铮等.治金出版社，1989.TB3021/4728 Modern Methods of Material Testing 4.X光射技术基础，王英华，原子能出版社，1987,071/1042 Techniques 点3材结约分折盖建”，余跟等，科学出版社，北京20， 主讲：材料学院王庆平 6。热分析及其应用，陈镜等，科学出版社，1985,065.798/7483。 qpwang@aust.cdu.cn 7.材料现代分析方法，左演声等，北工大出版社，2000，TB302/4034. Q0:735913816 8. 扫措电子显分析技术，杜学礼，化工出版社，1986,065735/4493. TEL:13855412452 前言 前言 社会的进步都以一种新材料的发 ●原料的组成 矿物 近代测试技术主要作用 和发展为其基础和先导。如旧石器 ●物质的化字组成； 时代、新石器时代、青铜器时代、 ●物质的结构特点（品 铁器时代。现在进入了光电子时代 ●材料的加工过程及反 ●物质的相组成 (硅材料和激光材料) 征、界面特点等)。 ●材料的服役行为研究。 第一章X射线衍射分析 前言一一一波与物质的相互作用 使与被测定对象发生作用 0s1.1X射线物理基础 室被测定对象中的眼子或分于的或电于的某种能态： 0s1.2X射线与物质的相互作用 0S1.3X射线在晶体中的衍射 整金改还终生赞长朝艘及警：入射波的强 弱癸条种落落希的暖赛与莞的养乔：请惑漫度与位置 s1.5X射线衍射实验方法 081.6X射线衍射物相分析 桥桥品哥鹅蓝营韩紧餐氨慕的的关系· 对请或像进行分 0§1.7X射线衍射其它分析方法
qpwang@aust.edu.cn QQ:735913816 TEL:13855412452 • Modern Methods of Material Testing Techniques “ ¡ ●原料的组成、矿物组 成及颗粒特性依赖 “近代测试技术”； ●材料的加工过程及反 应动力学依赖“近代 测试技术”； ●材料的成分、微观结 构依赖“近代测试技 术”； ●材料的服役行为研究。 近代测试技术主要作用 ●物质的化学组成； ●物质的结构特点（晶 体结构等）； ●物质的相组成； ●物质的显微结构特点 （相形貌、相颗粒特 征、界面特点等）。 前言---波与物质的相互作用 结构分析的实验方法有一个相似的过程： ¨ 用某一种波，或说某种粒子，使与被测定对象发生作用， ¨ 改变被测定对象中的原子或分子的核或电子的某种能态、 甚至解离， ¨ 造成入射波（粒子）的散射、衍射及吸收，入射波的强 度会减弱，还会产生不同波长的波或粒子， ¨ 记录各种波或粒子的强度与波长的关系，或强度与位置 的关系，得到各种共振谱、光谱、衍射谱或像， ¨ 依据已知的这些谱或像与结构的关系，对谱或像进行分 析，即可得出各种结构数据。 X ¡ 1.1 X ¡ 1.2 X ¡ 1.3 X ¡ 1.4 X ¡ 1.5 X ¡ 1.6 X ¡ 1.7 X
§1.1X射线物理基础 X射线的产生 射的发罚 时线又名伦琴射线，是德国物理学家 老式X射线管 tgen Wilhelm 8288532现的 伦琴于1895年12月28日向德国维 理学奖 X射线波动性的证明 X射线波动性的证明 X射线衍射示意图 铝箔的X射线衍射图像 1912年，德国物理学家 (1)证明了X射线是电 Von Lae Ma 磁波 一次从实验 (1879.10.9- (2)也第 1960.4.24 的规则而对称的排 认为州实量体是线衍 列。 X射线的本质 X射线的本质 X射线的性质特点 X射线是 种波长很短的电磁波 长在 肉翠不明岛能焦，气续囊典宪拥度拉受光： 10-8cm左右，具有波动性和粒子 2. 易被分赛轻和场中不发生。当辛过 呈直线传播， 对生物细胞有杀伤作用
1.1 X ¡ 1. X ¡ X射线又名伦琴射线,是德国物理学家: R ntgen Wilhelm Conrad(1845.03.27- 1923.2.10)于1895年发现的。 伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨 堡物理学医学学会递交了一篇轰动世 界的论文： -- 1901年RÖntgen获首届诺贝尔 物理学奖。 X 老式X射线管 伦琴拍下的他夫人的手 的X射线图 X X射线衍射示意图 铝箔的X射线衍射图像 X 1912年,德国物理学家 冯.劳厄： Von Laue,Max Theodore Felix 1879.10.9- 1960.4.24 X （1）证明了X射线是电 磁波， （2）也第一次从实验上 证实了晶体内部质点 的 规 则 而 对 称 的 排 列。 X射线的本质 ¡ X射线的性质特点 1. 2. 3. X射线的本质 ¡ X 10 8cm
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称、 线→X射线一紫外光一可见光一红外光一微波一无线电波 射线在电磁波谱中的位道 高能辐射区γ射线能量最高，来自于核能级跃迁 波长 X射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外侧电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自选能级跃迁 无线电波来自原子核自旋能级的跃迁 长 X射线的波粒二相性 X射线的产生 波动性： 粒子性： 。X射线的产生： 。X射线是高速运动的物子与其种物质相控 与该物质中的内层电于 &=hy= hc D= h 生 2.998×1010cm/s. 谢线的长为：0.050.25nm 10 X射线管 X射线管 1)阴极（灯丝）一发射电子。 由钨丝制成，加热后热辐射电子。 (2)阳极（靶） -发射X射线。 使电子突然减速并释放X射线。 (3)窗口—X射线出射通道。 既能让X射线出射，又能使管密封 出射X射线的阻碍
X 射 线 在 电 磁 波 谱 中 的 位 置 ~ γ射线→X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波 高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 波长 X射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外侧电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自选能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁 长 X射线的波粒二相性 l e n hc = h = l h p = 波动性： 粒子性： 式中，h-Planck常数,等于6.625×10-27尔格.秒; c-X射线的速度,等于2.998×1010 cm/s. X射线是波长为:0.001 10 nm 做晶体结构分析用的X射线的波长为: 0.05 0.25 nm X射线的产生 ¡ X ¡ X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞 击后猝然减速，且与该物质中的内层电子 相互作用而产生的。 X射线管 X射线管 （1）阴极（灯丝）——发射电子。 由钨丝制成，加热后热辐射电子。 （2）阳极（靶）——发射X射线。 使电子突然减速并释放X射线。 （3）窗口——X射线出射通道。 既能让X射线出射，又能使管密封。 窗口材料用金属铍或硼酸铍锂。窗口与 靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对 出射X射线的阻碍
X射线管 X射线管的性能 其余 9常 。X射线行射工作中希望细焦点和高强度： 线管的有眼，大功丰需要用旋转阳极 因此X射 细焦点一提高分 高强度一缩短暴光时间、提高信号强度 (5)焦点从 阳极配表面被电子表击的 形状是X射线管的重要特性之 当的形状取油 于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。 旋转阳极 X射线谱- 连续X射线谱 凶想操魔支水的关系 聚X射线管和闪光X射 因阳极不转电 德整要绝色射 黄征清你识时钱 管大数十倍。 。在管压很低时，小于20k X射线谱 特征X射线谱 特征X射线的产生机理 X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 李碧含梁为数层、道常用K上M。 去到或超过临界镇时：型阴极发出 电离。 活自服的的原子而使它 °绿爱紧经会爽瓷：儿层电子陵击出
X射线管 （4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99% 都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常 用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射 线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。 （5）焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X 射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和 形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决 于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。 X射线管的性能 ¡ X射线衍射工作中希望细焦点和高强度： 细焦点－提高分辨率 高强度－缩短暴光时间、提高信号强度 旋转阳极 ¡ 上述常用X射线管的功率 为500～3000W。目前还 有旋转阳极X射线管、细 聚焦X射线管和闪光X射线 管。 ¡ 因阳极不断旋转，电子束 轰击部位不断改变，故提 高功率也不会烧熔靶面。 目前有100kW的旋转阳 极，其功率比普通X射线 管大数十倍。 X射线谱-------- 连续X射线谱 ¡ X射线强度与波长的关系 曲线，称之X射线谱。 ¡ ----波 长连续变化 ¡ ----线 状谱 ¡ 在管压很低时，小于20kv 的曲线是连续变化的，故 称之连续X射线谱，即连 续谱。 X射线谱-------- 特征X射线谱 ¡ 当管电压超过某临界值时，特征 谱才会出现，该临界电压称激发 电压。当管电压增加时，连续谱 和特征谱强度都增加，而特征谱 对应的波长保持不变。 ¡ 钼靶X射线管当管电压等于或高 于20KV时，则除连续X射线谱 外，位于一定波长处还叠加有少 数强谱线，它们即特征X射线谱。 ¡ 钼靶X射线管在35KV电压下的 谱线，其特征x射线分别位于 0.63Å和0.71Å处，后者的强度 约为前者强度的五倍。这两条谱 线称钼的K系 特征X射线的产生机理 ¡ 特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 ¡ 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、 N等字母代表它们的名称。 ¡ 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出 的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电 子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子 电离。 ¡ 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它 的能量增高，原子处于激发状态。 ¡ 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出 L层，称L激发，其余各层依此类推
特征X射线的产生机理 特征X射线的命名方法 的能量为W:-hu。用极电子的能量 ■当K电子被打出K eV≥Wk=hUk,才能产生K激发。其临界值为 发电用 。处于发状 电子将填充 原子能量的 商成能时。多出的能量以 两特定能级间的能量差一定， 故辐射出的特 征X射波长一定。 huga =Wx-WL=hux-hv 特征X射线的命名方法 Moseley:定律 01/=aZ-g)2 。式中a和0都为常数 o Moseley 定律指出各 电子探针定性)及 荧光分析的主 K层因不符合选择定则此时公= 第一章X射线衍射分析 Moseley?定律 0s1.1X射线物理基础 0S1.2X射线与物质的相互作用 081.3X射线在晶体中的衍射 8义 线衍身 实验方法 s1.6X射线衍射物相分析 0§1.7X射线衍射其它分析方法
特征X射线的产生机理 ¡ 产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量 必须满足 ¡ eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为 eVK＝WK ，VK称之临界激发电压。处于激发状 态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层 电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降 低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以 X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一 定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特 征X射波长一定。 n 当K电子被打出K 层时，若L层电子 来填充K空位，则 产生Kα辐射。X射 线的能量为电子跃 迁前后两能级的能 量差，即 hu Ka =WK -WL = hu K - huL 特征X射线的命名方法 特征X射线的命名方法 ¡ 同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能 级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光 子的能量大于一个Kα光子的能量； 但因L→K层跃迁的 几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强 度大五倍左右。 ¡ 显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L 激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L 层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时， 除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。 除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系 均因波长长而被吸收。 ¡ Kα双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的8个 电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。Kα双 线系电子分别由LⅢ和LⅡ两个亚层跃迁到K层时产生的 辐射，而由LI亚层到K层因不符合选择定则（此时Δl＝ 0），因此没有辐射。 Moseley ¡ 1/λ=a(Z-α)2 ¡ 式中a和 α都为常数 ¡ Moseley定律指出各 元素的波长非常有规 律地随着它们在周期 表中的排列顺序而递 减. Moseley --X ( ) X Moseley X ¡ 1.1 X ¡ 1.2 X ¡ 1.3 X ¡ 1.4 X ¡ 1.5 X ¡ 1.6 X ¡ 1.7 X